補(bǔ)國(guó)斌，熊浩然，徐 沖，齊超文，王 穎，羅高杰

（1.湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；2.長(zhǎng)沙中泛置業(yè)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

1 研究背景

近斷層速度脈沖型地震動(dòng)，通常是指由方向性效應(yīng)和滑沖效應(yīng)引起的脈沖型地面運(yùn)動(dòng)。與非脈沖型地震動(dòng)相比，脈沖型地震動(dòng)會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的速度和位移沖擊。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)速度脈沖型地震與結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則雙重不利因素對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響展開了大量研究[1-2]。如P.Sarkar 等[3]針對(duì)立面幾何不規(guī)則框架，提出了一種考慮結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的豎向不規(guī)則定量方法。周靖等[4]對(duì)于結(jié)構(gòu)底層剛度、強(qiáng)度以及兩者組合的豎向不規(guī)則剪切型結(jié)構(gòu)，在速度脈沖地震作用下進(jìn)行了抗震位移延性需求分析。羅高杰[5]對(duì)于豎向不規(guī)則的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，在速度脈沖強(qiáng)震下進(jìn)行了抗震位移需求研究。程浩等[6]選取了近斷層脈沖型地震動(dòng)進(jìn)行動(dòng)力分析，其基于結(jié)構(gòu)層間位移角、樓層加速度、結(jié)構(gòu)塑性耗能等指標(biāo)，對(duì)近斷層脈沖型地震動(dòng)對(duì)帶屈曲約束支撐（buckling restrained braces，BRB）的減震高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的影響進(jìn)行了評(píng)估。大部分學(xué)者的已有研究是速度脈沖地震和豎向不規(guī)則對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響，較少考慮其對(duì)于新型復(fù)雜建筑的影響。

在地震動(dòng)作用下，建筑物一般會(huì)在薄弱部位出現(xiàn)損傷破壞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)或倒塌，可能的原因是建筑結(jié)構(gòu)缺陷或者結(jié)構(gòu)不規(guī)則，而速度脈沖型地震相對(duì)于非速度型地震會(huì)對(duì)長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的破壞。賈俊峰等[7]的研究結(jié)果表明，近斷層速度脈沖地震增加了結(jié)構(gòu)的基底剪力、層間變形和延性需求，并且指出，在近斷層速度脈沖地震下，對(duì)于豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)的抗震性能研究相對(duì)較少。周靖等[8]提出了一種新型的重力柱-混凝土核心筒高層體系，并且進(jìn)行了不同地震烈度下的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，但是尚未考慮豎向不規(guī)則和速度脈沖地震作用的雙重不利因素對(duì)于結(jié)構(gòu)抗震響應(yīng)的影響。

綜上所述，由于近斷層速度脈沖型地震和結(jié)構(gòu)的豎向不規(guī)則布置都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)產(chǎn)生較大影響，因此，本文擬基于文獻(xiàn)[8]的研究成果，在考慮速度脈沖地震與結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則耦合效應(yīng)下，對(duì)新型的鋼管混凝土重力柱-混凝土核心筒高層結(jié)構(gòu)體系的彈塑性地震響應(yīng)變化規(guī)律進(jìn)行分析。即在速度脈沖地震效應(yīng)和豎向不規(guī)則雙重不利條件下對(duì)該結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移、層間位移角、層間剪力和傾覆力矩等進(jìn)行定量分析，系統(tǒng)地研究雙重不利對(duì)結(jié)構(gòu)彈塑性地震響應(yīng)的影響規(guī)律，以期為近斷層區(qū)豎向不規(guī)則新型重力柱-核心筒結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供有益參考。

2 豎向不規(guī)則重力柱-核心筒結(jié)構(gòu)模型

2.1 重力柱-核心筒結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)及其模擬

文獻(xiàn)[8]以廣西金融大廈為工程背景，設(shè)計(jì)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥钔鈱訛殇摴芑炷林?，中間為剪力墻組成的核心筒結(jié)構(gòu)，鋼梁與鋼管混凝土柱或核心筒均采用螺栓鉸接節(jié)點(diǎn)，鉸接節(jié)點(diǎn)容許更大的轉(zhuǎn)角變形，節(jié)點(diǎn)的受剪承載力并不會(huì)有較大降低。結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)剛度減小，基本振動(dòng)周期增加，可減小地震作用。水平荷載作用完全由混凝土核心筒承擔(dān)，結(jié)構(gòu)各部件受力明確，不用考慮外框架部分地震剪力分?jǐn)偮实恼{(diào)整，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的靈活性。其建立的1:40 縮尺試驗(yàn)結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖1a，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑敿?xì)情況參見(jiàn)文獻(xiàn)[8]。

文獻(xiàn)[9-10]采用非線性分析軟件CANNY[11]，對(duì)圖1 所示37 層試驗(yàn)結(jié)構(gòu)模型按相似比轉(zhuǎn)換得到的原型結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了數(shù)值建模和有限元分析，建立的CANNY 模型見(jiàn)圖1b。兩文獻(xiàn)中，研究人員將位移時(shí)程計(jì)算結(jié)果與通過(guò)相似比轉(zhuǎn)化得到的7 度小、中和大震原型結(jié)構(gòu)位移時(shí)程曲線進(jìn)行了比較，得到的不同烈度下的位移時(shí)程比較結(jié)果見(jiàn)圖2，由圖可得知該模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的吻合度相對(duì)較高，從而得出所建模型和CANNY軟件參數(shù)設(shè)置均較為合理的結(jié)論[11]。因此，本文亦擬基于該振動(dòng)臺(tái)模型，并采用同樣的參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行系列的數(shù)值擴(kuò)展參數(shù)化分析。

圖1 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)模型和CANNY 模型Fig.1 Structural model and CANNY model for shaking table tests

圖2 不同烈度下位移時(shí)程比較結(jié)果圖Fig.2 Displacement time history comparison results under different seismic intensities

2.2 豎向不規(guī)則重力柱-核心筒結(jié)構(gòu)建模

通過(guò)YJK 軟件設(shè)計(jì)典型的豎向規(guī)則20 層和30層結(jié)構(gòu)YJK 模型，見(jiàn)圖3。圖3 所示結(jié)構(gòu)中，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60，縱筋和箍筋等級(jí)均為HRB400，標(biāo)準(zhǔn)層樓面恒載為5.0 kN/m2，活載為2.0 kN/m2。梁、柱和剪力墻截面的尺寸如表1 所示，有限元建模和參數(shù)設(shè)置同2.1 節(jié)。經(jīng)過(guò)YJK 和CANNY 軟件計(jì)算得到的20 層結(jié)構(gòu)基本自振周期分別為0.876 6 s 和0.903 4 s，相對(duì)誤差為3.06%；30 層結(jié)構(gòu)自振周期分別為1.369 6 s和1.398 4 s，相對(duì)誤差為2.10%，這一結(jié)果說(shuō)明結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)較為合理。

圖3 20 層和30 層豎向規(guī)則YJK 模型Fig.3 20-and 30-story vertical regular model using YJK

表1 梁、柱和剪力墻截面尺寸Table 1 Sectional dimensions of beams,columns and shear walls

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[12]第3.5.2 條規(guī)定高層建筑結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比的計(jì)算公式如下：

式中：Vi、Vi+1分別為第i層和第i+1 層的地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值；Δi、Δi+1 分別為第i層和第i+1 層在地震作用標(biāo)準(zhǔn)值作用下的層間位移；hi、hi+1分別為第i層和第i+1 層的層高。

規(guī)范中規(guī)定對(duì)于結(jié)構(gòu)底部的嵌固層，該比值不宜小于1.5，因小于1.5 時(shí)為豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)。

在YJK 軟件中，通過(guò)改變圖4 模型的底層剪力墻和鋼管混凝土柱截面尺寸實(shí)現(xiàn)豎向不規(guī)則，采用式（1）計(jì)算，依次將底層剛度與相鄰上層剛度的比值（以下簡(jiǎn)稱豎向不規(guī)則比率γ）調(diào)整到1.7,1.5,1.3,1.1,0.9，如圖4 所示。完成模型設(shè)計(jì)后，采用CANNY 軟件建立相應(yīng)的豎向不規(guī)則有限元分析模型。

圖4 20 層和30 層結(jié)構(gòu)剛度分布示意圖Fig.4 Structural stiffness distribution diagram for 20-and 30-story structures

3 地震動(dòng)輸入與分析方法

3.1 地震動(dòng)輸入

震害調(diào)查表明，近斷層速度脈沖地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)有顯著破壞性。隨機(jī)選取10 條近斷層速度脈沖地震動(dòng)記錄（見(jiàn)表2），編號(hào)為P1～P10。

表2 選取的10 條速度脈沖型地震動(dòng)記錄Table 2 Ten selected pulse-like ground motion records

脈沖特性采用Baker 定義的PI進(jìn)行表征[13]，其中，0.85 ≤PI≤1.00 為強(qiáng)速度脈沖地震效應(yīng)區(qū)間，0 ≤PI≤0.15 為非速度脈沖地震效應(yīng)區(qū)間。再選取10 條非脈沖地震記錄，編號(hào)為N1～N10，詳細(xì)的地震記錄數(shù)據(jù)參見(jiàn)文獻(xiàn)[13]，此處不再列出。為強(qiáng)調(diào)地震作用的隨機(jī)性和不確定性，表中所列均采用原始加速度記錄。以下各圖中“P”和“N”分別表示速度脈沖地震和非速度脈沖地震工況（分別簡(jiǎn)稱脈沖工況和非脈沖工況）。

3.2 地震動(dòng)分析方法

選取3.1 節(jié)的脈沖型和非脈沖型地震記錄結(jié)果作為地震動(dòng)輸入，采用CANNY 軟件對(duì)2.2 節(jié)的豎向不規(guī)則新型體系進(jìn)行非線性動(dòng)力時(shí)程分析。分析中考慮了5 種豎向不規(guī)則比率，分別為1.7,1.5,1.3,1.1,0.9；20 條地震記錄（10 條速度脈沖型地震記錄和與其對(duì)應(yīng)的10 條非速度脈沖型地震記錄）。其中地震作用輸入方向?yàn)閥向，峰值地面加速度考慮為0.5g，以使結(jié)構(gòu)進(jìn)入充分的彈塑性反應(yīng)階段。數(shù)值分析方法采用Newmark-Beta 法，采用瑞雷阻尼，對(duì)應(yīng)第一、二階阻尼比均設(shè)置為0.05。

4 彈塑性地震響應(yīng)分析

因分析中發(fā)現(xiàn)脈沖和非脈沖工況下各條地震波作用下，20 和30 層豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)規(guī)律類似，故以下通過(guò)取脈沖和非脈沖工況下10 條波的平均值深入分析20 層和30 層結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

4.1 豎向不規(guī)則和速度脈沖對(duì)層間位移角的影響

圖5 給出了脈沖工況和非脈沖工況下不同γ值的20 層和30 層結(jié)構(gòu)層間位移角θ的變化規(guī)律。由圖5a、b、d 可以得知，20 層結(jié)構(gòu)和30 層結(jié)構(gòu)的層間位移角θ均隨著γ值的減小而增大(曲線外擴(kuò))，但是圖5e 表現(xiàn)出不同的曲線內(nèi)收現(xiàn)象。為了進(jìn)一步探究其定量影響結(jié)果，取兩種工況下各曲線的最大值（即最大層間位移角θmax）進(jìn)行分析，得到圖5c 和f。由圖5c 和f 可知，脈沖工況下的θmax要遠(yuǎn)大于非脈沖工況下的對(duì)應(yīng)值。當(dāng)γ取0.9 時(shí)，20 層結(jié)構(gòu)和30 層結(jié)構(gòu)的脈沖和非脈沖工況下的θmax比值分別達(dá)1.80和1.90。同時(shí)，θmax隨著γ的減小有增大的趨勢(shì)。例如，脈沖工況下20 層和30 層結(jié)構(gòu)隨著γ由1.7 減小到0.9，θmax分別增大了58.33%和19.81%。這表明底層剛度的減小將會(huì)使得結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的位移需求。但是，30 層結(jié)構(gòu)的非脈沖工況下的θmax值隨著γ值的減小反而略有減小。為探究其原因，在圖5f 中同時(shí)給出其底層層間位移角θ1，發(fā)現(xiàn)θ1隨著γ的減小而增大，這表明底層剛度減小會(huì)導(dǎo)致底層變形增大，符合理論分析結(jié)果。從能量平衡的觀點(diǎn)分析，因?yàn)榈卣疠斎肟偰芰坎蛔?，底層變形增大可能?huì)導(dǎo)致底層的耗能增加，進(jìn)一步會(huì)使得其它層的耗能減小，故有可能間接導(dǎo)致最大層間位移反而減小?？傮w上來(lái)說(shuō)，豎向不規(guī)則比率將使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的位移需求，鑒于地震的復(fù)雜性，也可能會(huì)使最大變形反而減小。且速度脈沖工況的影響更顯著，在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)該充分重視兩種因素導(dǎo)致的變形放大效應(yīng)。

圖5 豎向不規(guī)則比率對(duì)20 和30 層結(jié)構(gòu)層間位移角的影響Fig.5 Effect of vertical irregularity ratio on inter-story displacement angles of 20-and 30-story structures

4.2 豎向不規(guī)則和速度脈沖對(duì)層間剪力的影響

圖6 給出了脈沖工況和非脈沖工況下，不同豎向不規(guī)則比率γ的20 層結(jié)構(gòu)和30 層結(jié)構(gòu)的層間剪力V的變化規(guī)律。

圖6 豎向不規(guī)則比率對(duì)20 和30 層結(jié)構(gòu)層間剪力的影響Fig.6 Effect of vertical irregularity ratio on inter-story shear force of 20-and 30-story structures

由圖6a、b、d、e 可以得知，20 層和30 層結(jié)構(gòu)的層間剪力V均隨著γ值減小而減小(曲線內(nèi)收)。為了進(jìn)一步探究其定量影響，取兩種工況下各曲線的最大值（即最大層間剪力Vmax）進(jìn)行分析，得到圖6c和f。由圖6c 和f 可知，脈沖工況下的Vmax略微大于非脈沖工況下的對(duì)應(yīng)值。當(dāng)γ取1.3 時(shí)，20 層結(jié)構(gòu)和30層結(jié)構(gòu)的脈沖和非脈沖工況下的Vmax比值達(dá)到1.06和1.10。同時(shí)，Vmax隨著γ值的減小有略微減小的趨勢(shì)。例如，脈沖工況下20 層結(jié)構(gòu)和30 層結(jié)構(gòu)隨著γ值由1.7 減小到0.9，Vmax分別減小了5.89%和8.57%，而非脈沖工況下分別減小了4.03%和3.50%。這表明底層剛度減小雖然對(duì)位移有顯著影響，但是對(duì)剪力的影響不大。

4.3 豎向不規(guī)則和速度脈沖對(duì)層間傾覆力矩的影響

圖7 給出了脈沖和非脈沖工況下不同γ值的20層和30 層結(jié)構(gòu)層間傾覆力矩M的變化規(guī)律。

圖7 豎向不規(guī)則比率對(duì)于20 和30 層結(jié)構(gòu)層間傾覆力矩的影響Fig.7 Effect of vertical irregularity ratio on the inter-story overturning moment of 20-and 30-story structures

由圖7a、b、d、e 可知，20 層和30 層結(jié)構(gòu)的層間傾覆力矩M均隨γ的減小而略減小，與層間剪力變化規(guī)律類似。取最大層間傾覆力矩Mmax進(jìn)行分析，得到圖7c 和f。由圖可知，脈沖工況下的Mmax要略大于非脈沖工況下的對(duì)應(yīng)值。當(dāng)γ取1.3 時(shí)，20 層和30 層結(jié)構(gòu)脈沖和非脈沖工況下Mmax的比值達(dá)到1.02和1.07。同時(shí)，Mmax隨著γ的減小有減小的趨勢(shì)。例如，脈沖工況下20 層和30 層結(jié)構(gòu)隨著γ由1.7 減小到0.9，Mmax減小了5.41%和11.02%，而非脈沖工況下分別減小了3.24%和6.10%。

5 結(jié)論

本文研究了速度脈沖型地震和豎向不規(guī)則耦合條件對(duì)新型重力柱-核心筒結(jié)構(gòu)彈塑性地震響應(yīng)的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1）各樓層層間位移角隨豎向不規(guī)則比率的減小而增大，而層間剪力則表現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)。例如，脈沖工況下20 層和30 層結(jié)構(gòu)隨著γ由1.7 減小到0.9，θmax增大了58.33%和19.81%，而Vmax減小了5.89%和8.57%。脈沖工況下的θmax要遠(yuǎn)大于非脈沖工況下的對(duì)應(yīng)值。當(dāng)γ取0.9 時(shí)，20 層和30 層結(jié)構(gòu)脈沖和非脈沖工況下θmax的比值達(dá)1.80 和1.90，而當(dāng)γ取1.3時(shí)，20 層和30 層結(jié)構(gòu)脈沖和非脈沖工況下Vmax的比值為1.06 和1.10。

2）各樓層層間傾覆力矩隨豎向不規(guī)則比率的減小而減小，脈沖工況下20 層和30 層結(jié)構(gòu)隨著γ由1.7減小到0.9，Mmax減小了5.41%和11.02%，而非脈沖工況下分別減小了3.24%和6.10%。當(dāng)γ取1.3 時(shí)，20 層和30 層結(jié)構(gòu)脈沖和非脈沖工況下Mmax的比值達(dá)1.02 和1.07，脈沖工況下的Mmax要略大于非脈沖工況下的對(duì)應(yīng)值。

3）20 層和30 層重力柱-核心筒結(jié)構(gòu)算例表明，豎向不規(guī)則比率一定時(shí)，脈沖工況下層間位移角、層間剪力和層間傾覆力矩均高于非脈沖工況下的對(duì)應(yīng)值。同時(shí)，層間位移角隨豎向不規(guī)則比率的減小而急劇增大，而層間剪力和傾覆力矩則表現(xiàn)出略微減小的變化趨勢(shì)。這說(shuō)明底層豎向不規(guī)則布置有明顯的變形放大效應(yīng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。